诺奖得主斯万特·帕博:我的古DNA研究之路

足球比分 2022-11-12 17:55 8

摘要:【编者按】斯万特·帕博(SvantePääbo,1955年-),2022年诺贝尔生理学或医学奖得主,是世界著名进化遗传学家,现任美国国家科学院、瑞典皇家科学...

【编者按】斯万特·帕博(Svante Pääbo,江苏省省长杯足球赛2020获奖名单(2020广东省省长杯青少年足球赛)1955年- ),2022年诺贝尔生理学或医学奖得主,是世界著名进化遗传学家,现任美国国家科学院、瑞典皇家科学院等多个国家科学院的院士以及中国科学院研究生院、莱比锡大学等多所著名大学的名誉教授。斯万特·帕博教授的研究工作和学术进展始终被世界著名媒体所关注,如《纽约时报》《时代》《新闻周刊》《经济学家》等均对他有过报导。他在古DNA领域做了大量的研究工作,其研究对象涉及树獭、洞熊、恐鸟、猛犸象和尼安德特人等。他曾在Cell、Nature、Science、PNAS等重要刊物发表了一系列研究成果,并在美国芝加哥田野考古博物馆(Field Musuem)、旧金山展览馆及纽约自然历史博物馆展出。鉴于斯万特·帕博教授在科学研究上的杰出贡献,2007年,他被《时代》杂志评选为“全最具影响力的一百人”之一。2008年,他被New Scientist评选为8位年度科学英雄之一。2009年2月,他所引领的科研团队已初步完成超过30亿碱基对序列的尼安德特人基因组。无疑,这个科学项目的完成将使人们对现代人的进化史有更新的认识。

本文的采访者付巧妹,师从斯万特·帕博教授,在德国马普进化人类学研究所获得博士学位,现为中国科学院古脊椎动物与古人类研究所古DNA实验室主任、研究员。本文系付巧妹在2009年对斯万特·帕博进行的访谈稿,首刊于《南方文物》2010年第2期,后收录于上海古籍出版社《穿越古今:海外考古大家访谈》,今日热点经授权发布,现标题为编者所拟。

斯万特·帕博教授

付巧妹 :古DNA研究至2009年已走过20多年的历程。您不仅是这一历史进程的见证者,更是这一领域的先驱和奠基者。2009年5月,中国科学院与德国马普学会联合实验室在北京古脊椎动物与古人类研究所挂牌成立,它将有力地推动人类起源与演化的研究。值此之际,有机会对您进行采访,我感到十分荣幸。上世纪80年代,“分子克隆古埃及木乃伊DNA”是您踏入古DNA研究领域的第一步。这一工作不仅引起世界的关注,也是人类历史上首次将克隆技术应用于古DNA的创举。请问,是什么原因促使您投身这一特殊的领域?在研究过程中,您遇到的挑战主要有哪些?

斯万特·帕博:这与我的求学经历有关。在攻读医药学博士和分子生物学博士之前,我研究的是埃及学。因此,我清楚在埃及的博物馆中收藏了数以千计的木乃伊,而且每年还有近百件新的木乃伊被发现。另外,细菌克隆DNA在当时是相当新的技术,还没有相关文献表明这个技术曾被应用于考古遗存。显而易见,将DNA克隆应用于木乃伊是一个值得尝试研究和应用的领域。当时,最大的挑战是如何证明木乃伊中的DNA历经数千年仍能存在。主要的证据来自两个方面:显微镜下观察到木乃伊细胞核中存在被染色的DNA;通过细菌成功克隆了从木乃伊组织中提取的DNA,并在所克隆的DNA中发现了人类的DNA。尽管当时我还不知道DNA的污染程度。但现在看来,木乃伊受到外源人类DNA的污染,其可能性还是存在的。

付巧妹:当您的分子克隆古埃及木乃伊DNA研究引起世界学术界关注之时,上世纪80年代末,您带领您的团队毅然转向了灭绝物种的系统发育及其与现存相邻物种之间关系等领域的研究。请问,这又是什么原因促使您作出研究方向重大转移的决定?在这个新的学术领域,您有哪些振奋人心的成果呢?

斯万特·帕博:我发现,人类DNA普遍存在于出土及馆藏的古代遗物中,若采用聚合酶链式反应(PCR)扩增技术研究古人类DNA,其污染问题在所难免,其所得结果也很难令人信服。然而,将研究对象改为非人类物种时,外源人类DNA的污染则不难鉴别和剔除。此时,利用PCR技术,扩增特定DNA片段,开展这些物种的研究,应该没有难以逾越的困难。鉴于此,我开始将注意力转向了灭绝动物,并应用相关的技术,探索其与现存动物之间的遗传关系。多年来,我们在这一领域取得了一系列令人瞩目的成果。例如,远古时代,南美有一种与澳大利亚灭绝袋狼相近的有袋动物。然而,研究发现,相比于这种南美的有袋类动物,澳大利亚的灭绝袋狼与当地现存有袋类动物的关系更加紧密。再如,新西兰有一种不能飞行的灭绝恐鸟,我们的研究发现,新西兰当地的无翼鸟,即现存的不能飞行鸟,较之这种当地灭绝的恐鸟更接近于澳大利亚及非洲现存的不能飞行鸟。这表明灭绝恐鸟与现存无翼鸟尽管都在新西兰,但两者可能拥有不同的祖先。再如,加利福尼亚沙漠百年以前即有袋鼠存在,依据博物馆的记录和百年前的地图,我们确定了博物馆收藏的近百件袋鼠所捕获的地点,再选取同一地点的现存袋鼠,首次通过DNA分析,揭示了种群随时间的遗传变化规律。

付巧妹:1997年以来,您的研究又主要转向了尼安德特人基因组及其遗传关系。您为何作出这一选择?它是否有助于解答现代人的起源问题?根据已有的研究,您如何认识现代人和尼安德特人之间的关系?

斯万特·帕博:利用古DNA技术,探索人类的进化过程,始终是我的梦想。作为最接近现代人的灭绝旁系亲属,尼安德特人无疑是研究这一进程的理想对象。通过比较现代人自身和尼安德特人的DNA序列,我们可以了解,人类基因组在近几十万年里所发生的变化。而这些遗传变化的背后,应该隐藏着它对人类文化和技术发展的推动作用。至2009年,我们已完成了尼安德特人线粒体DNA的研究。以往的研究似乎表明,尼安德特人线粒体DNA对现代人线粒体DNA没有明显贡献。目前,我们正在分析整个尼安德特人的基因组,相信它最终能够全面揭示尼安德特人与现代人之间的遗传关系。其中,最为关键的是,它能告诉我们,究竟是尼安德特人的基因对现代人的遗传变异有一定贡献、还是现代人祖先对他们的基因库有所贡献?我相信,往后的几个月里,我们的研究将有突破性的进展。

付巧妹:古DNA分析中,真实性至关重要。您是如何确保尼安德特人DNA的真实性的?

斯万特·帕博:首先,我们的DNA分析是在极其清洁的环境下进行的,以避免实验室内引入DNA的污染。例如,在专用实验室内提取DNA,实验室设备皆要经过严格的消毒处理;每天用紫外线照射实验室;实验室人员必须穿防护服等。不难理解,这些措施仍不能消除已存在于样品内的DNA污染,所以必须对DNA的受污染程度作认真的评估。

业已证明,尼安德特人基因组的大部分片段与现代人相近,但其线粒体DNA则与现代人之间存在一定差异。这样,分析尼安德特人线粒体基因组中不同于现代人的位点,即可评估样品所提取线粒体DNA的污染程度,进而判断该样品线粒体DNA分析的有效性。一般说来,根据已知线粒体DNA的污染程度,尚可推算内源的核DNA含量。然而,由于线粒体DNA与核DNA的污染程度不一定相同,为了确保分析的可靠性,通常还需要采用其他方法验证核DNA的污染程度,例如,分析尼安德特人女性骨骼样品时,拟寻找她是否有Y染色体DNA。若有,则可确定存在男性污染,这是因为唯有男性才存在Y染色体。目前,我们正在致力于探明尼安德特人核基因组中不同于现代人的位点。相信在不久的将来,人们根据这些位点的分析,即可直接评估有无外来核DNA的污染。

付巧妹:当前,您所开展的研究项目是完成尼安德特人的完整基因组序列,它对于认识人类进化史具有难以估量的意义。请问,完整的基因组序列,比如人类和黑猩猩的完整基因组序列,能提供那些重要的信息?当然,人们应该更关心尼安德特人完整基因组序列的工作进展和具体意义。

斯万特·帕博:首先,完整的基因组序列能够成为生物学家的工具。生物学家可以使用计算机和互联网,分析基因组中任一感兴趣的片段或结构,而不需要再次进行繁琐的基因测序。我们拥有共同的祖先,即4百万年到7百万年前的猿类。而不同基因组的比较、如人类基因组与黑猩猩或其他猿类基因组的比较,可望了解到基因组发生变化的具体位点和变化规律。假如人类的基因组不同于黑猩猩的基因组,则表明人类基因组确实发生了不可忽视的变化。具体说来,欲标定进化分支上人类所相应的基因变化,尼安德特人完整基因组的研究显然具有极为重要的意义。如果早在尼安德特人出现之前,一些人类基因已经发生了变化,则表明现代人与尼安德特人的基因序列相近。反之则表明,较之于现代人,尼安德特人更接近于猿。需要指出的是,尼安德特人完整基因组的研究,还可以作为一种新的方法和新的思路,以探寻人类基因组中受正向选择(物种受外界环境的影响,在已突变的基因中筛选,淘汰不适应环境的基因,选择可有效适应环境的基因)影响的区域。即将尼安德特人基因组与现代人及近亲物种的基因组进行对比,了解那些与人类进化密切相关、并保留于现代人中的基因区域。

付巧妹:目前,您还致力于研究一些特定基因,如对现代人类语言具有重要作用的FOXP2基因。请您解释一下,判定FOXP2基因与人类语言相关。其根据是什么?尼安德特人的FOXP2变异是否与现代人相同?如果是,是否意味尼安德特人具有说话的能力?

斯万特·帕博:现代人的FOXP2基因中,任一染色体的突变都将导致严重的语言障碍。诸如口齿不清;无法区分一些基本音节;不能理解语法和句子等。此外,FOXP2基因表达蛋白的演变也十分重要,应给予关注。事实上,所有哺乳动物皆保留有FOXP2基因表达的蛋白。不过,现代人的蛋白中,已有两个氨基酸发生了变化。最近的研究表明,尼安德特人FOXP2基因的表达蛋白同样具有相似的变化。由此可推测,这两个氨基酸的变化要么发生在现代人和尼安德特人分化之前,要么是早期现代人将其遗传给了较晚的尼安德特人。这些氨基酸是否对语言很重要呢?最近,我们所做的相关实验给出了肯定答案。首先,将老鼠的FOXP2基因作了改动,让其表达出本质上与现代人一样的FOXP2蛋白,其结果不仅促使老鼠发出了不同声音,也增强了这些老鼠脑细胞之间的联系,并导致其功能发生变化。尽管这些变化的机制不甚清晰,但仍可通过动物模型去探索。我坚信,这些方面的研究将会取得更多的进展。然而,这些结果并非意味着,拥有相同FOXP2表浙江新增本土确诊1例 在宁波达蛋白的尼安德特人能像我们一样说话。目前,人们对语言的遗传背景知之甚少,现在假设或推测尼安德特人能够说话还为时尚早。应该说,还有许多不清楚的基因对语言有着重要影响。一旦有关未知基因被破解了,不仅可检验尼安德特人基因组序列中是否存在相似的基因,还有望解答他们能否说话的问题。

付巧妹:现如今,您引领着马普学会莱比锡进化人类学研究所的进化遗传学系。您认为遗传学系中什么问题至关重要?不同背景的科学家如何解决这个问题?

斯万特·帕博:事实上,我们的工作和所里大多数专家一样,都注重探索现代人与近亲物种间的相同和不同之处。这里的近亲物种主要指现存猿类和灭绝旁系(如古老的尼安德特人及其他古人类)。我们的研究内容主要有两大方面:一方面,比较现代人和近亲物种基因组;另一方面,分析不同组织的不同基因所产生的核糖核酸(RNA)含量,探讨相关基因的活性。目前,我们已开始采用基因组测序、微阵列、RNA高通量测序/质谱高通量分析蛋白质等一系列方法,研究相关基因表达蛋白的含量。

付巧妹:2009年5月,中国科学院与德国马普学会人类演化和科技考古联合实验室在北京正式挂牌成立,有关学术界对此表示了高度关注。请您结合古DNA和食谱研究,谈谈对这一合作前景的看法。

斯万特·帕博:中国科学院与德国马普学会人类演化和科技考古联合实验室的成立,让我激动不已。对我们而言,这是一个与中国科学院、尤其是中国科学院古脊椎古动物与古人类研究所、中国科学院研究生院的科学家们一起工作的极好机会。这两个机构拥有独一无二的材料和专长,并一直利用这些材料和专长详尽地解答中国甚至整个世界的人类进化问题。我深信,联合实验室将会发展成为一个卓越的人类进化科学研究中心。中国科学院与马普学会建立的联合实验室,将使双方的科学家彼此紧密联系,共同研究重大课题。与此同时,联合实验室还将注重培养DNA技术、食谱分析和石器微痕分析方面的年轻科学家。不难理解,化石样品可有效地开展古代食谱和DNA分析,并可从不同的侧面了解样品的保存情况。当然,最为重要的是:联合实验室可望在中国境内古人类的进化方面不断获得令世人瞩目的重大成果。

付巧妹:您如何认识中国境内人类化石DNA测序的可能性,例如北京人?

斯万特·帕博:我相信,中国境内的一些人类化石中,应含有足以提取并用于分析的DNA。和洲及亚洲其它地区一样,只有DNA保存得足够好的遗址才有可能提取到DNA。因此,我们首先要着手寻找这些遗址。一般而言,低于20万年或10万年的人类化石很可能存在DNA。北京人虽不在其中,但其后的人类化石中,其DNA仍可让我们了解到中国境内人类的进化历程。

付巧妹:最后,对于有兴趣研究古DNA的年轻一代学者,您可否给些建议?

斯万特·帕博:古DNA研究不仅需要学习大量的技术,还需要在洞察学术前沿问题的基础上,毕生致力于相关技术的改进。因此,我对有志于从事古DNA研究的年轻学者的建议是:不仅要研究化石,而且还要具备坚实的分子生物学知识和技能。我还认为,学生和青年科学家应该认真思考他们工作中所遇到的问题,并能对他们的教授和其他学者的观点提出质疑。从我个人的经验而言,一个团队最好的发展,即取得最大进步的最好方式是:每个人都可以对相关项目进行讨论、提出问题和发表意见。

《穿越古今:海外考古大家访谈》,李水城 主编  温成浩 副主编,上海古籍出版社,2020年5月

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